JP2013242007A - Link actuation device - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、ロボットの関節部、産業機械等における三次元空間での複雑な加工や物品の取り回しりに等の作業を広範囲な領域で、高速かつ精密に実行するとき等に用いられるリンク作動装置に関する。 The present invention relates to a link actuating device that is used when, for example, performing complicated processing in a three-dimensional space in an articulated part of a robot, industrial machinery, etc., and handling of an article, etc., in a wide range, at high speed and precisely. About.
上記リンク作動装置として、入力側のリンクハブと出力側のリンクハブを、四つの回転対偶からなる三節連鎖のリンク機構で連結し、入力側のリンクハブに対して出力側のリンクハブを姿勢変更可能とした構成が提案されている(例えば特許文献1)。四つの回転対偶からなる三節連鎖のリンク機構は、入力側および出力側の各リンクハブにそれぞれ回転可能に連結された入力側および出力側の端部リンクと、これら入力側および出力側の端部リンクに回転可能に連結された中央リンクとでなる。特許文献1には、リンク機構を直線で表現した幾何学モデルにおいて、中央リンクの中央部に対する入力側部分と出力側部分とが鏡像対称を成す形状である例と、点対称を成す形状である例とが開示されている。
As the above link actuating device, the link hub on the input side and the link hub on the output side are connected by a three-bar chain link mechanism consisting of four rotating pairs, and the attitude of the link hub on the output side is changed with respect to the link hub on the input side A possible configuration has been proposed (for example, Patent Document 1). The three-joint link mechanism consisting of four rotating pairs consists of input and output end links rotatably connected to the input and output link hubs, and the input and output end links. It consists of a central link rotatably connected to the link.
上記特許文献1を含む従来のリンク作動装置は、リンク機構の数が三組であった。これは、リンク機構をリンクだけで構成する場合に、入力側のリンクハブに対する出力側のリンクハブの姿勢を規定するために必要な最低限のリンク機構の数は三組であることによる。
The conventional link actuator including the above-mentioned
リンク作動装置は、例えば、各リンク機構の内側に形成されている中空部内に曲げ可能な挿通物を通し、この挿通物の曲げ角度を調整することに用いられる。挿通物は、例えば各種チューブや人の腕、足等の四肢である。その場合、挿通物はリンク作動装置の入力側および出力側のリンクハブに連結され、入力側のリンクハブに対する出力側のリンクハブの姿勢を変更することで、挿通物の曲げ角度を調整する。 The link actuating device is used, for example, for passing a bendable insert through a hollow portion formed inside each link mechanism and adjusting the bending angle of the insert. Inserts are extremities, such as various tubes, a person's arm, and a leg, for example. In that case, the insertion object is connected to the input side and output side link hubs of the link actuating device, and the bending angle of the insertion object is adjusted by changing the attitude of the output side link hub with respect to the input side link hub.
入力側のリンクハブに対する出力側のリンクハブの姿勢変更は、球面リンク中心を曲げ中心として各リンク機構におけるリンクハブに対する端部リンクの回転角を変えることで行う。このため、入力側のリンクハブに対する出力側のリンクハブの姿勢を変更すると、挿通物とリンクハブとの連結部に軸方向および半径方向の変位が生じる。このことを、図11を用いて説明する。 The posture change of the output side link hub with respect to the input side link hub is performed by changing the rotation angle of the end link with respect to the link hub in each link mechanism with the spherical link center as the bending center. For this reason, if the attitude of the output side link hub with respect to the input side link hub is changed, displacements in the axial direction and the radial direction are generated in the connecting portion between the insert and the link hub. This will be described with reference to FIG.
図11において、入力側および出力側の球面リンク中心をP1,P2、入力側および出力側のリンクハブ中心軸をC1,C2、リンク作動装置の姿勢変更中心をOとする。各リンク機構のリンクハブと端部リンクの回転対偶中心軸は互いに交差する関係にあり、その交点が球面リンク中心P1,P2である。リンクハブ中心軸C1,C2は、入力側と出力側とでリンクハブと端部リンクが成す角度が同一である状態において、一方のリンクハブの球面リンク中心P1(P2)を通り他方のリンクハブの球面リンク中心P2(P1)に向かって延びる軸線のことである。姿勢変更中心Oは、リンクハブ中心軸C1,C2の交点である。 In FIG. 11, the spherical link centers on the input side and the output side are P1, P2, the link hub central axes on the input side and the output side are C1, C2, and the posture change center of the link actuator is O. The link pairs of the link mechanisms and the end links of the link mechanisms of the link mechanisms are in a relationship of intersecting each other, and the intersections are the spherical link centers P1 and P2. The link hub central axes C1 and C2 pass through the spherical link center P1 (P2) of one link hub and the other link hub when the angles formed by the link hub and the end link are the same on the input side and the output side. Is an axis extending toward the spherical link center P2 (P1). The posture change center O is an intersection of the link hub center axes C1 and C2.
実線で示すように、入力側のリンクハブ中心軸C1と出力側のリンクハブ中心軸C2が成す角度が0°であるとき、姿勢変更中心Oと球面リンクハブ中心P1,P2との距離は、共にL0である。破線で示すように、入力側のリンクハブ中心軸C1と出力側のリンクハブ中心軸C2が成す角度がθ°であるとき、姿勢変更中心Oとリンクハブ中心P1,P2との距離は、共にLθである。ここで、L0とLθとの間に、L0=Lθ*cosθの関係が成り立つ。よって、L0<Lθである。つまり、入力側のリンクハブに対する出力側のリンクハブの姿勢を変更すると、姿勢変更中心Oとリンクハブ中心P1,P2間の距離が変化することにより、挿通物とリンクハブとの連結部に軸方向および半径方向の変位が生じるのである。 As shown by the solid line, when the angle formed by the input side link hub central axis C1 and the output side link hub central axis C2 is 0 °, the distance between the posture change center O and the spherical link hub centers P1 and P2 is Both are L0. As shown by the broken line, when the angle formed between the input side link hub central axis C1 and the output side link hub central axis C2 is θ °, the distance between the posture change center O and the link hub centers P1 and P2 is both Lθ. Here, a relationship of L0 = Lθ * cos θ is established between L0 and Lθ. Therefore, L0 <Lθ. That is, when the attitude of the output side link hub with respect to the input side link hub is changed, the distance between the attitude change center O and the link hub centers P1 and P2 changes, so that the connecting portion between the insertion object and the link hub is pivoted. Directional and radial displacements occur.
上記変位を吸収して挿通物に無理な力が作用しないようにするために、以下のような対策がなされる。挿通物がチューブである場合には、例えば、チューブを蛇腹状にして伸縮変形可能とする。また、挿通物が人の四肢である場合には、例えば、挿通物とリンクハブの連結部に、変位に応じてスライドして変位を吸収する変位吸収部材を設ける。入力側と出力側の球面リンク中心P1,P2間の距離が長いと変位量も大きくなり、そのため大きな変位に対応できるように、チューブの蛇腹状部分を長くしたり、変位吸収部材の寸法を大きくしたりする必要がある。しかし、チューブの蛇腹状部分を長くするのは、加工に手間がかかる。また、変位吸収部材の寸法を大きくすると、リンク作動装置が大きくて重くなってしまう。 In order to absorb the displacement and prevent an excessive force from acting on the inserted article, the following measures are taken. When the inserted material is a tube, for example, the tube is formed in a bellows shape so that it can be expanded and contracted. Further, when the inserted object is a human limb, for example, a displacement absorbing member that slides in accordance with the displacement and absorbs the displacement is provided at the connecting part of the inserted object and the link hub. When the distance between the spherical link centers P1 and P2 on the input side and the output side is long, the amount of displacement increases, so that the bellows-like portion of the tube is lengthened and the size of the displacement absorbing member is increased so as to cope with a large displacement. It is necessary to do. However, lengthening the bellows-like portion of the tube takes time and effort. Further, when the dimension of the displacement absorbing member is increased, the link actuating device becomes large and heavy.
この発明の目的は、内側に挿通して配置される挿通物に変位吸収のための余分な加工をしなくて済み、かつ大きな変位吸収部材を設けずに済み、軽量でコンパクトなリンク作動装置を提供することである。 An object of the present invention is to provide a lightweight and compact link operating device that does not require extra processing for absorbing displacement in an inserted article that is inserted through the inside and that does not require a large displacement absorbing member. Is to provide.
この発明のリンク作動装置は、入出力側にそれぞれ配されたリンクハブに対して回転可能に端部リンクを連結し、入力側および出力側の端部リンクを中央リンクに対して回転可能に連結することにより、前記入力側の端部リンク、中央リンク、および出力側の端部リンクで構成される、四つの回転対偶からなる三節連鎖のリンク機構を複数組有する。この構成のリンク作動装置において、前記リンクハブと前記端部リンクの回転対偶中心軸は、対向するリンクハブの側に傾いており、球面リンク中心は、姿勢変更中心とリンクハブ面との間に位置することを特徴とする。
なお、各リンク機構の前記リンクハブと前記端部リンクの回転対偶中心軸は互いに交差する位置関係であって、この交差点が前記球面リンク中心である。前記リンクハブ中心軸は、入力側と出力側のリンクハブが互いに平行である状態で、一方のリンクハブの前記球面リンク中心を通り他方のリンクハブの前記球面リンク中心に向かって延びる軸線のことである。前記姿勢変更中心は、入力側と出力側のリンクハブが互い平行でない状態で、入力側および出力側の各前記リンクハブ中心軸が互いに交差する点のことである。前記リンクハブ面は、前記リンクハブにおける前記リンクハブ中心軸方向の位置が最も前記姿勢変更中心に近い箇所を含み、前記リンクハブ中心軸に対して垂直な平面のことである。
In the link actuating device of the present invention, the end links are rotatably connected to the link hubs arranged on the input / output sides, and the input and output end links are rotatably connected to the central link. By doing so, a plurality of sets of three-joint link mechanisms composed of four rotary pairs are formed, which are constituted by the input end link, the central link, and the output end link. In the link actuating device having this configuration, the rotation pair central axis of the link hub and the end link is inclined toward the opposite link hub, and the spherical link center is between the posture change center and the link hub surface. It is characterized by being located.
Note that the rotational pair center axes of the link hub and the end link of each link mechanism are in a positional relationship where they intersect each other, and this intersection is the spherical link center. The link hub central axis is an axis extending through the spherical link center of one link hub toward the spherical link center of the other link hub in a state where the input side and output side link hubs are parallel to each other. It is. The posture change center is a point where the link hub central axes on the input side and the output side intersect with each other in a state where the input side and output side link hubs are not parallel to each other. The link hub surface is a plane perpendicular to the link hub central axis, including a portion where the position of the link hub in the link hub central axis direction is closest to the posture change center.
この構成によると、リンクハブとそれに連結される端部リンクの入力側と出力側それぞれは、球面リンク機構を構成しており、それぞれの球面リンク機構は、入力側と出力側の端部リンクが中央リンクを介して連結されている。この構造は、入力側のリンクハブに対して出力側のリンクハブが2自由度で姿勢変更が可能であり、その姿勢変更の可動範囲を広くとれる。例えば、入力側のリンクハブ中心軸と出力側のリンクハブ中心軸の最大折れ角を90°以上とすることが可能であり、入力側のリンクハブに対する出力側のリンクハブの旋回角を0°〜360°の範囲に設定できる。 According to this configuration, each of the input side and output side of the link hub and the end link connected thereto constitutes a spherical link mechanism, and each spherical link mechanism has end links on the input side and output side. They are connected via a central link. In this structure, the posture of the output-side link hub can be changed with two degrees of freedom with respect to the input-side link hub, and the movable range of the posture change can be widened. For example, the maximum bending angle between the input side link hub central axis and the output side link hub central axis can be 90 ° or more, and the output side link hub turning angle with respect to the input side link hub is 0 °. It can be set in the range of ~ 360 °.
リンクハブと端部リンクの回転対偶中心軸が対向するリンクハブの側に傾いており、球面リンク中心が姿勢変更中心とリンクハブ面との間に位置すると、従来のように、同回転対偶中心軸がリンクハブ中心軸と垂直である場合と比べて、球面リンク中心と姿勢変更中心間の距離が短くなる。また、入力側と出力側の球面リンク中心間の距離も短くなる。これにより、入力側のリンクハブに対する出力側のリンクハブの姿勢を変更するときに、各リンク機構の内側に挿通された挿通物とリンクハブとの連結部の変位を小さくできる。そのため、挿通物が前記変位を吸収する構造である場合に、挿通物を大きく伸縮させなくてもよく、加工が容易である。また、挿通物とリンクハブの連結部に、前記変位に応じてスライドして変位を吸収する変位吸収部材を設ける場合に、変位吸収部材の寸法が小さくて済み、リンク作動装置をコンパクトで軽量にできる。 When the rotation hub center axis of the link hub and end link is inclined to the opposite link hub side, and the spherical link center is located between the posture change center and the link hub surface, Compared to the case where the axis is perpendicular to the link hub central axis, the distance between the spherical link center and the posture change center is shortened. Further, the distance between the spherical link centers on the input side and the output side is also shortened. Thereby, when changing the attitude | position of the output side link hub with respect to the input side link hub, the displacement of the connection part of the insertion thing penetrated inside each link mechanism and a link hub can be made small. Therefore, when the insert has a structure that absorbs the displacement, the insert does not need to be greatly expanded and contracted, and processing is easy. In addition, when a displacement absorbing member that slides in accordance with the displacement and absorbs the displacement is provided at the connecting portion between the insertion object and the link hub, the size of the displacement absorbing member can be small, and the link actuator can be made compact and lightweight. it can.
この発明において、前記入力側の端部リンクと前記中央リンクの回転対偶中心軸、および前記出力側の端部リンクと前記中央リンクの回転対偶中心軸を、互いに平行としてもよい。
球面リンク機構によると、端部リンクと中央リンクの回転対偶中心軸は、球面リンク中心を通る。この回転対偶中心軸をリンクハブ側に傾斜させずに、入力側と出力側で互いに平行とすることで、入力側と出力側の球面リンク中心間の距離を短くできる。また、前記回転対偶中心軸が入力側と出力側で互いに平行であれば、端部リンクと中央リンクを連結する軸も入力側と出力側で互いに平行となり、中央リンクの加工を容易とする。それにより、加工の位置精度がよくなり、加工コストを低減できる。
In the present invention, the input side end link and the central link rotation pair of the central link, and the output side end link and the central link rotation pair of the central link may be parallel to each other.
According to the spherical link mechanism, the rotation pair central axis of the end link and the central link passes through the spherical link center. By making the rotation pair central axis parallel to each other on the input side and the output side without being inclined to the link hub side, the distance between the spherical link centers on the input side and the output side can be shortened. Further, if the rotation pair center axis is parallel to the input side and the output side, the axes connecting the end link and the center link are also parallel to each other on the input side and the output side, thereby facilitating the processing of the center link. Thereby, the position accuracy of the processing is improved, and the processing cost can be reduced.
この発明において、前記四つの回転対偶からなる三節連鎖のリンク機構を二組有し、これら二組のリンク機構は、入力側および出力側のいずれについても、前記リンクハブと前記端部リンクの回転対偶中心軸の周方向位置が互いに180度の位置にないものとし、前記二組のリンク機構のうち少なくとも一組のリンク機構に、前記入力側の端部リンクと前記出力側の端部リンクを、互いに回転方向が逆で、回転変位角度が同じとなるように、互いに連動して回転変位させる連動手段を設けると良い。
リンク機構が二組であると、各リンク機構の内側に挿通される挿通物をリンクハブ内に入れるためのリンクハブの開口部を広く確保することができ、挿通物のリンクハブへの出し入れが容易になる。よって、リンク作動装置を挿通物に対して相対的に小型化することが可能である。また、複数のリンク機構の各リンク部材同士の干渉が減り、リンク作動装置の作動角度を大きくとれる。このため、使い勝手が良くなる。
In the present invention, there are two sets of three-joint link mechanisms composed of the four rotary pairs, and these two sets of link mechanisms rotate the link hub and the end link on both the input side and the output side. It is assumed that the circumferential position of the paired central axis is not 180 degrees from each other, and the input side end link and the output side end link are connected to at least one of the two sets of link mechanisms. It is preferable to provide interlocking means for rotating and displacing in conjunction with each other so that the rotation directions are opposite to each other and the rotation displacement angles are the same.
When there are two sets of link mechanisms, it is possible to secure a wide opening of the link hub for inserting the inserts inserted into the inside of each link mechanism into the link hub, so that the inserts can be taken in and out of the link hub. It becomes easy. Therefore, it is possible to reduce the size of the link actuating device relative to the insert. Further, interference between the link members of the plurality of link mechanisms is reduced, and the operating angle of the link operating device can be increased. For this reason, usability is improved.
リンク機構が二組である場合、各リンク機構の二つの中央リンクは、それぞれの球面リンク機構が重なる円の円周上の並進運動に限定された1自由度となる。入力側および出力側の球面リンク機構は、節の曲率半径を無限大とすれば平面上の四節リンク機構であり、入力側、出力側のそれぞれが独立して1自由度を有している。入力側と出力側の端部リンク間に連動手段が無い場合は、二つの中央リンクの1自由度と入力側と出力側の球面リンク機構の各1自由度とで3自由度となる。ここで、入力側と出力側の端部リンク間に連動手段を設けると、入力側と出力側の球面リンク機構が連動し、両球面リンク機構で1自由度となる。以上のように、このリンク作動装置は、中央リンクの1自由度と前記球面リンク機構の1自由度を合わせた2自由度の機構となる。なお、中央リンクの位置変位は、入力側と出力側のリンクハブ間においては角度変化となり、以上から入力側と出力側のリンクハブ間は、2方向の角度変化が可能な構造となる。 When there are two sets of link mechanisms, the two central links of each link mechanism have one degree of freedom limited to translational movement on the circumference of the circle on which the respective spherical link mechanisms overlap. The spherical link mechanism on the input side and the output side is a four-bar linkage mechanism on a plane if the radius of curvature of the node is infinite, and each of the input side and the output side has one degree of freedom independently. . When there is no interlocking means between the input side and output side end links, there are 3 degrees of freedom with 1 degree of freedom for the two central links and 1 degree of freedom for the spherical links on the input side and the output side. Here, when an interlocking means is provided between the input side and output side end links, the spherical link mechanisms on the input side and the output side are interlocked, and both spherical link mechanisms provide one degree of freedom. As described above, this link actuating device is a two-degree-of-freedom mechanism that combines one degree of freedom of the central link and one degree of freedom of the spherical link mechanism. Note that the positional displacement of the central link changes between the input side and output side link hubs, and the angle between the input side and output side link hubs can change in two directions.
前記連動手段は、回転中心軸が前記入力側の端部リンクと前記中央リンクの回転対偶中心軸と一致する第1の平歯車と、回転中心軸が前記出力側の端部リンクと前記中央リンクの回転対偶中心軸と一致し前記第1の平歯車と噛み合う第2の平歯車とを有する構成としてもよい。
平歯車は他の歯車、例えば傘歯車等と比べて安価であるため、連動手段の製造コストを抑えることができる。また、平歯車は、軸方向位置の取付け精度を高く要求されないので、組付けが容易である。
The interlocking means includes a first spur gear whose rotation center axis coincides with the rotation pair center axis of the input side end link and the center link, and the rotation center axis of the output side end link and the center link. It is good also as a structure which has the 2nd spur gear which is in agreement with the rotation pair central axis of this, and meshes with the said 1st spur gear.
Since the spur gear is less expensive than other gears such as bevel gears, the manufacturing cost of the interlocking means can be reduced. Further, since the spur gear is not required to have high mounting accuracy in the axial position, it can be easily assembled.
この発明において、前記リンク機構における四つの回転対偶のうち少なくとも一つの回転対偶に、この回転対偶の相対的な回転角変位を限定するリミッターを設けてもよい。
リミッターにより、回転対偶の相対的な回転角変位を限定することで、入力側のリンクハブに対する出力側のリンクハブの可動範囲が限定される。それに伴い、各リンク機構の内側に挿通されている挿通物の可動範囲も限定される。リミッターの設定を変えることで、挿通物の状況に応じた可動範囲の調整が容易に行える。
In this invention, you may provide the limiter which limits the relative rotational angular displacement of this rotation pair in at least one rotation pair of the four rotation pairs in the said link mechanism.
By limiting the relative rotational angular displacement of the rotational pair by the limiter, the movable range of the output side link hub with respect to the input side link hub is limited. Along with this, the movable range of the insert inserted inside each link mechanism is also limited. By changing the limiter settings, the movable range can be easily adjusted according to the condition of the inserted object.
前記リミッターを設ける場合、前記リンク機構における四つの回転対偶のうち少なくとも一つの回転対偶に、この回転対偶の相対的な回転角変位を弾性的に限定する弾性部材を設けても良い。
この場合、前記挿通物に荷重が加えられたとき、弾性部材の弾性反発力により、リミッターの範囲内で外力および変位を許容することができると共に、リミッターにかかる衝撃荷重を低減でき、リミッター取付部の強度向上や摩耗低減を図れる。
When the limiter is provided, an elastic member that elastically limits the relative rotational angular displacement of the rotation pair may be provided on at least one of the four rotation pairs of the link mechanism.
In this case, when a load is applied to the insert, the elastic repulsive force of the elastic member can allow external force and displacement within the limiter range, and can reduce the impact load applied to the limiter. Strength improvement and wear reduction.
また、前記リミッターを設ける場合、前記リンク機構における四つの回転対偶のうち少なくとも一つの回転対偶に、この回転対偶の相対的な回転角変位を減衰させる減衰材を設けても良い。
この場合、前記挿通物に大荷重が加えられたとき、挿通物からリンクハブに衝撃荷重が加わる。減衰材が設けられていると、上記衝撃荷重が緩和され、挿通物への負担を軽減することができる。
When the limiter is provided, an attenuation member that attenuates the relative rotational angular displacement of the rotation pair may be provided in at least one rotation pair of the four rotation pairs in the link mechanism.
In this case, when a heavy load is applied to the insert, an impact load is applied from the insert to the link hub. When the damping material is provided, the impact load is relieved, and the burden on the insert can be reduced.
この発明において、前記複数のリンク機構のうちの二組以上に、四つの回転対偶のうち少なくとも一つの回転対偶の相対的な回転角変位を変更可能とするアクチュエータを設け、かつ前記入力側および出力側のリンクハブにおける一方のリンクハブに対する他方のリンクハブの姿勢を任意の可動範囲内で動作させるように前記アクチュエータを制御する制御装置を設けてもよい。
この場合、制御装置でアクチュエータを制御することにより、入力側のリンクハブに対する出力側のリンクハブの姿勢を、自動で任意の2方向角度位置に任意の時間で変更することができる。
In this invention, two or more sets of the plurality of link mechanisms are provided with actuators that can change the relative rotational angular displacement of at least one of the four rotating pairs, and the input side and the output You may provide the control apparatus which controls the said actuator so that the attitude | position of the other link hub with respect to one link hub in a side link hub may be operated within arbitrary movable ranges.
In this case, by controlling the actuator with the control device, the attitude of the output side link hub with respect to the input side link hub can be automatically changed to any two-direction angular position at any time.
前記アクチュエータはロータリアクチュエータとすると良い。ロータリアクチュエータであると、対象とする回転対偶を直接に相対的角度変位させることができる。そのため、回転の伝達機構や直線運動を回転運動に変換する機構が不要であり、構造が簡単でコンパクトとなる。 The actuator may be a rotary actuator. If it is a rotary actuator, the target rotation pair can be directly displaced by a relative angle. Therefore, a rotation transmission mechanism and a mechanism for converting linear motion into rotational motion are unnecessary, and the structure is simple and compact.
この発明において、前記複数のリンク機構のうちの二組以上に、前記入力側の端部リンクと前記出力側の端部リンクの相対的な回転角変位を変更可能とする直動アクチュエータを設けてもよい。
この場合、入力側の端部リンク、中央リンク、出力側の端部リンク、および直動アクチュエータにより閉じたリンク構造となり、リンク機構の剛性が高まる。
In the present invention, a linear motion actuator that can change a relative rotational angular displacement between the input side end link and the output side end link is provided in two or more sets of the plurality of link mechanisms. Also good.
In this case, the link structure is closed by the end link on the input side, the center link, the end link on the output side, and the linear actuator, and the rigidity of the link mechanism is increased.
前記入力側の端部リンクと前記中央リンクの回転対偶中心軸、および前記出力側の端部リンクと前記中央リンクの回転対偶中心軸は、互いに平行である場合、前記直動アクチュエータと前記入出力側の端部リンクとは軸受を介して1自由度の回転中心軸回りに互いに回転自在に連結され、前記1自由度の回転中心軸は、前記入出力側の端部リンクと前記中央リンクの回転対偶中心軸と平行であるのが良い。
この構成であると、入力側の端部リンク、中央リンク、出力側の端部リンク、および直動アクチュエータが回転1自由度で連結されることで、さらに高剛性となり、また製作および組立も容易となる。
When the input side end link and the central link rotational pair even axis, and the output side end link and the central link rotational pair central axis are parallel to each other, the linear actuator and the input / output The end link on the side is connected to each other around a rotation center axis with one degree of freedom via a bearing, and the rotation center axis with one degree of freedom is connected to the end link on the input / output side and the center link. It is good that it is parallel to the rotation pair even axis.
With this configuration, the input side end link, center link, output side end link, and linear motion actuator are connected with one degree of freedom of rotation, making it even more rigid and easy to manufacture and assemble. It becomes.
この発明において、前記リンク機構の構成部材である三つのリンクおよび入出力側のリンクハブのうちの二つのリンク機構構成部材間に、両者の位置関係を弾性的に規制するばね要素部材を設けると良い。
装置自体の重さおよびリンク機構の内側に挿通される挿通物の重さにより、入力側のリンクハブと出力側のリンクハブ間に角度変位が生じた場合、ばね要素部材に弾性反発力により、前記角度変位を減少させるように復元させることができる。また、アクチュエータにより、入力側のリンクハブに対して出力側のリンクハブを姿勢変更する場合には、前記角度変位によって生じる負荷をばね要素部材が補償することで、アクチュエータの出力荷重を抑えることができる。
In this invention, when a spring element member that elastically restricts the positional relationship between the three link members constituting the link mechanism and the two link mechanism constituting members of the input / output side link hub is provided. good.
When an angular displacement occurs between the input side link hub and the output side link hub due to the weight of the device itself and the weight of the insertion object inserted inside the link mechanism, the spring element member has an elastic repulsive force. The angular displacement can be restored. Further, when the posture of the output side link hub is changed with respect to the input side link hub by the actuator, the output load of the actuator can be suppressed by compensating the load caused by the angular displacement by the spring element member. it can.
前記ばね要素部材は、例えば、前記入力側の端部リンクと前記出力側の端部リンク間に設ける。
この配置であると、前記角度変位に対して、ばね要素部材が捩れることなく伸縮のみで対応することが可能であるため、引っ張りばねや圧縮ばねのようなごく普通のばね要素部材を用いることができる。
The spring element member is provided, for example, between the input-side end link and the output-side end link.
With this arrangement, it is possible to cope with the angular displacement by only expansion and contraction without twisting the spring element member. Therefore, an ordinary spring element member such as a tension spring or a compression spring should be used. Can do.
上記リンク作動装置は、前記入出力側のリンクハブは、それぞれの前記リンクハブ中心軸に沿って貫通した中空部を有し、前記入出力側のリンクハブ間に四肢関節部が位置し、かつ各リンクハブの前記中空部内に前記四肢関節部に続く部位がそれぞれ挿通された状態で前記四肢関節部回りに装着することができる。
このリンク作動装置を上記のように四肢関節部に装着すると、筋力が弱い人の四肢関節を適正な角度に保持することができる。また、2自由度以上の曲げが可能であるため、静止時や作動時の違和感が少ない。さらに、アクチュエータにより強制的に作動させるようにした場合は、歩行等の動作補助や、四肢関節部を他動運動させるリハビリにも使える。
In the link actuating device, the input / output side link hubs have hollow portions penetrating along the respective link hub central axes, and limb joints are located between the input / output side link hubs, and The link hub can be mounted around the limb joint part in a state in which a portion following the limb joint part is inserted into the hollow part of the link hub.
When this link actuating device is attached to the limb joint as described above, the limb joint of a person with weak muscle strength can be held at an appropriate angle. Further, since bending with two or more degrees of freedom is possible, there is little uncomfortable feeling at rest or operation. Further, when the actuator is forcibly operated by an actuator, it can be used for operation assistance such as walking and rehabilitation in which the joint part of the limb is moved in a passive manner.
この発明のリンク作動装置は、入出力側にそれぞれ配されたリンクハブに対して回転可能に端部リンクを連結し、入力側および出力側の端部リンクを中央リンクに対して回転可能に連結することにより、前記入力側の端部リンク、中央リンク、および出力側の端部リンクで構成される、四つの回転対偶からなる三節連鎖のリンク機構を複数組有するリンク作動装置において、各リンク機構の前記リンクハブと前記端部リンクの回転対偶中心軸は互いに交差する位置関係であって、この交差点を球面リンク中心と称し、入力側と出力側のリンクハブが互いに平行である状態で、一方のリンクハブの前記球面リンク中心を通り他方のリンクハブの前記球面リンク中心に向かって延びる軸線をリンクハブ中心軸と称し、入力側と出力側のリンクハブが互い平行でない状態で、入力側および出力側の各前記リンクハブ中心軸が互いに交差する点を姿勢変更中心と称し、前記リンクハブにおける前記リンクハブ中心軸方向の位置が最も前記姿勢変更中心に近い箇所を含み、前記リンクハブ中心軸に対して垂直な平面をリンクハブ面と称した場合に、前記リンクハブと前記端部リンクの回転対偶中心軸は、対向するリンクハブの側に傾いており、前記球面リンク中心は、前記姿勢変更中心と前記リンクハブ面との間に位置するため、内側に挿通して配置される挿通物に変位吸収のための余分な加工をしなくて済み、かつ大きな変位吸収部材を設けずに済み、軽量でコンパクトである。 In the link actuating device of the present invention, the end links are rotatably connected to the link hubs arranged on the input / output sides, and the input and output end links are rotatably connected to the central link. In the link actuating device having a plurality of sets of three-linkage link mechanisms composed of four rotary pairs, each link mechanism comprising the input side end link, the center link, and the output side end link. The rotational pair of the link hub and the end link is in a positional relationship where they intersect with each other, and this intersection is called the spherical link center, and the input and output side link hubs are parallel to each other, An axis extending through the spherical link center of the other link hub toward the spherical link center of the other link hub is referred to as a link hub central axis, and the link hub on the input side and the output side The point where the link hub central axes on the input side and the output side intersect with each other in a state where they are not parallel to each other is referred to as a posture change center, and the position of the link hub in the link hub central axis direction is closest to the posture change center. When a plane perpendicular to the link hub central axis is referred to as a link hub surface, the rotation pair central axis of the link hub and the end link is inclined toward the opposite link hub. Since the spherical link center is located between the posture change center and the link hub surface, it is not necessary to carry out extra processing for absorbing displacement in the inserted article that is inserted through the inside, and It is not necessary to provide a large displacement absorbing member, and is lightweight and compact.
この発明の一実施形態を図1〜図6と共に説明する。
図1、図2はこの発明の一実施形態にかかるリンク作動装置の正面図と側面図である。このリンク作動装置1は、入力側および出力側のリンクハブ2,3を有し、これらリンクハブ2,3を二組のリンク機構4A,4Bで連結したものである。図2では、片方のリンク機構4Aのみが表示されている。リンク機構4A,4Bは、四つの回転対偶からなる三節連鎖のリンク機構であり、入力側のリンクハブ2に一端が回転自在に連結された入力側の端部リンク5と、出力側のリンクハブ3に一端が回転自在に連結された出力側の端部リンク6と、これら端部リンク5,6の他端に両端がそれぞれ回転自在に連結された中央リンク7とで構成される。
An embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
1 and 2 are a front view and a side view of a link actuator according to an embodiment of the present invention. This
上記二組のリンク機構4A,4Bは、幾何学的に同じ形状である。幾何学的に同じ形状とは、リンク機構を直線で表現した幾何学モデル、すなわち各回転対偶と、これら回転対偶間を結ぶ直線とで表現したモデルが互いに同じ形状であることを言う。また、それぞれのリンク機構4A,4Bは、直線で表現した幾何学モデルが、中央リンク7の中央部に対する入力側部分と出力側部分とが互いに鏡像対称を成す形状である。
The two sets of
各リンク機構4A,4Bの入力側および出力側の端部リンク5,6は、共に球面リンク構造である。球面リンク構造とは、リンクハブ2(3)と端部リンク5(6)の回転対偶中心軸O1A,O1B(O2A,O2B)、および端部リンク5(6)と中央リンク7の回転対偶中心軸O3A,O3B(O4A,O4B)が、共通の球面リンク中心P1(P2)で交差する構造を言う。
Both
図1、図2のように、入力側と出力側のリンクハブ2,3が互いに平行である状態で、一方のリンクハブ2(3)の球面リンク中心P1(P2)を通り他方のリンクハブ3(2)の球面リンク中心P2(P1)に向かって延びる軸線を、リンクハブ中心軸C1(C2)と称する。入力側と出力側のリンクハブ2,3が互い平行でない状態(図示せず)では、リンクハブ中心軸C1,C2は互いに交差する。この交差点を姿勢変更中心Oと称する。
As shown in FIGS. 1 and 2, the
端部リンク5,6と中央リンク7の回転対偶中心軸O3A,O3B(O4A,O4B)は、互いに平行である。これに対し、リンクハブ2,3と端部リンク5,6の回転対偶中心軸O1A,O1B(O2A,O2B)は、対向するリンクハブ3,2の側に傾いている。そのため、球面リンク中心P1,P2は、前記姿勢変更中心Oとリンクハブ面F1,F2との間に位置する。リンクハブ面F1,F2は、リンクハブ2,3におけるリンクハブ中心軸C1,C2方向の位置が最も姿勢変更中心Oに近い箇所を含み、リンクハブ中心軸C1,C2に対して垂直な平面のことである。
The rotation pair central axes O3A and O3B (O4A and O4B) of the
回転対偶中心軸O1A,O1B(O2A,O2B)とリンクハブ中心軸C1,C2の成す角度η(図3)は、例えば45°である。リンクハブ2,3と端部リンク5,6の回転対偶中心軸O1A,O1B(O2A,O2B)と端部リンク5,6と中央リンク7の回転対偶中心軸O3A,O3B(O4A,O4B)の成す角度β(図6)は、例えば90°である。
An angle η (FIG. 3) formed by the rotation pair center axes O1A, O1B (O2A, O2B) and the link hub center axes C1, C2 is, for example, 45 °. The rotation pair center axes O1A and O1B (O2A and O2B) of the
図5に示すように、二組のリンク機構4A,4Bは、それぞれの回転対偶中心軸O1A,O1B(O2A,O2B)が互いに交差する位置関係にある。つまり、リンクハブ中心軸C1(C2)と垂直な面上での、回転対偶中心軸O1A,O1B(O2A,O2B)の軸間角度が180°でない。そして、回転対偶中心軸O1A,O1B(O2A,O2B)の軸間角度が180°よりも大きい側に、各リンク機構4A,4Bの中央リンク7(図3では省略)が位置している。図示例では、小さい方の軸間角度α1が120°とされている。したがって、リンクハブ中心軸C1(C2)と垂直な面上での、回転対偶中心軸O1A,O1B(O2A,O2B)と横断面対称面との角度α2も120°である。
As shown in FIG. 5, the two pairs of
図1、図2において、上記各リンク機構4A,4Bの入力側の端部リンク5と出力側の端部リンク6とは、連動手段9により、互いに連動して回転変位するようになっている。この実施形態の場合、連動手段9は、入力側の端部リンク5と中央リンク7の回転対偶中心軸O3A,O3B回りに回転する第1の平歯車10と、出力側の端部リンク6と中央リンク7の回転対偶中心軸O4A,O4B回りに回転し第1の平歯車10と噛み合う第2の平歯車11とで構成されている。一対の平歯車10,11は同諸元のものであり、入力側の端部リンク5と出力側の端部リンク6が、互いの回転方向が反対で、かつ回転変位角度が同じになるように連動する。
1 and 2, the input
このように、連動手段9を一対の平歯車10,11で構成すると、平歯車は他の歯車、例えば傘歯車等と比べて安価であるため、連動手段9の製造コストを抑えることができる。また、平歯車10,11は、軸方向位置の取付け精度をあまり高く要求されないので、組付けが容易である。連動手段9は、同諸元の一対の平歯車10,11の噛み合いによるものに限らない。平歯車の代わりリンク機構、カム、ベルト等を用いてもよい。 Thus, when the interlocking means 9 is composed of a pair of spur gears 10 and 11, the spur gear is less expensive than other gears, such as a bevel gear, so that the manufacturing cost of the interlocking means 9 can be suppressed. Further, since the spur gears 10 and 11 are not required to have a high mounting accuracy in the axial position, they can be easily assembled. The interlocking means 9 is not limited to the engagement of the pair of spur gears 10 and 11 having the same specifications. A link mechanism, a cam, a belt or the like may be used instead of the spur gear.
図示例では、二組のリンク機構4A,4Bの両方に連動手段9が設けられているが、片方だけであっても良い。片方だけであっても、後で説明する2自由度の動作を規制することは可能である。しかし、二組のリンク機構4A,4Bの両方に連動手段9を設けると、リンク作動装置1の剛性が高く、入力側のリンクハブ2に対して出力側のリンクハブ3を正確に位置決めすることができる。
In the illustrated example, the interlocking means 9 is provided in both of the two sets of
図5に示すように、リンクハブ2(3)は、リンクハブ中心軸C1(C2)と垂直な平面に沿って拡がる円弧状であり、内部にリンクハブ中心軸C1(C2)の方向に貫通する中空部20が形成されている。この中空部20は、開口部21を介してリンクハブ2,3の外部と連通している。開口部21は、入力側および出力側のリンクハブ2,3のいずれについても、各回転対偶中心軸O1A,O1B,O2A,O2Bに対して同じ側に位置する。つまり、図1、図2のように、入力側のリンクハブ2と出力側のリンクハブ3が互いに平行になる姿勢において、両リンクハブ2,3の開口部21が、共に同じ側を向く。
As shown in FIG. 5, the link hub 2 (3) has an arc shape extending along a plane perpendicular to the link hub central axis C1 (C2), and penetrates in the direction of the link hub central axis C1 (C2). A
リンクハブ2(3)の両端には、端部リンク5(6)が回転自在に連結されるリンク連結部13がそれぞれ設けられている。リンク連結部13は、図3に示すように、内部に二つの転がり軸受14を有し、これら転がり軸受14により、端部リンク5(6)の基端に一体に設けた回転軸15を回転自在に支持する。回転軸15の軸心は、回転対偶中心軸O1A,O1B(O2A,O2B)と一致する。回転軸15の一端はリンク連結部13からリンクハブ2(3)の外径側へ突出しており、その突出部に端部リンク5(6)の基端が、キー16により回転不能に取り付けられている。回転軸15は、一端の大径部15aと他端に螺着したナット17とで転がり軸受14および端部リンク5(6)の基端を挟み込むことで、軸方向に抜け止めされている。
At both ends of the link hub 2 (3),
転がり軸受14は、外輪14aがリンク連結部13の内周に圧入等により嵌合し、内輪14bが回転軸14の外周に圧入等により嵌合している。転がり軸受14は、例えば深溝玉軸受、アンギュラ玉軸受等の玉軸受である。転がり軸受14としては、図示例のように玉軸受を複列で配列する以外に、ローラー軸受を用いても良い。また、転がり軸受14の代わりに滑り軸受を用いてもよい。
In the rolling
また、図4に示すように、中央リンク7の両端部にそれぞれ二つの転がり軸受18が設けられ、これら転がり軸受18により、端部リンク5,6の先端にボルト19aにより結合された連結軸19を回転自在に支持する。連結軸19の軸心は、回転対偶中心軸O3A,O3B(O4A,O4B)と一致する。転がり軸受18は、外輪18aが中央リンク7の端部に圧入等により嵌合し、内輪18bが連結軸19の外周に圧入等により嵌合している。転がり軸受18は、例えば深溝玉軸受、アンギュラ玉軸受等の玉軸受である。転がり軸受18としては、図示例のように玉軸受を複列で配列する以外に、ローラー軸受を用いても良い。また、転がり軸受18の代わりに滑り軸受を用いてもよい。
Further, as shown in FIG. 4, two rolling
図1に示すように、各リンク機構4A,4Bには、入力側のリンクハブ2に対する入力側の端部リンク5の姿勢を任意に変更可能なアクチュエータ23A,23Bがそれぞれ設けられている。アクチュエータ23A,23Bは、例えばロータリアクチュエータであって、回転軸15を回転駆動することで、端部リンク5を回転させる。アクチュエータ23A,23Bがロータリアクチュエータであると、アクチュエータ23A,23Bの回転をそのまま回転軸15に伝えることができ、構造が簡単でコンパクトとなる。
As shown in FIG. 1, the
また、図2に示すように、入力側の端部リンク5と出力側の端部リンク6間には、両端部リンク5,6の位置関係を弾性的に規制するばね要素部材26が設けられている。ばね要素部材26は、例えば引っ張りばねである。ばね要素部材26の両端は、端部リンク5,6にそれぞれ支持されたばね連結軸27に、回転可能に連結されている。このばね連結軸27は、端部リンク5(6)と中央リンク7の回転対偶中心軸O3A,O3B(O4A,O4B)と平行である。
As shown in FIG. 2, a
作用面からだけ見れば、ばね要素部材26は、入力側の端部リンク5と出力側の端部リンク6間以外の他のリンク機構構成部材間に設けてもよい。リンク機構構成部材は、入出力側のリンクハブ2,3および三つのリンク5,6,7のことである。しかし、この例のように、ばね要素部材26を、入力側の端部リンク5と出力側の端部リンク6間に設けると、前記角度変位に対して、ばね要素部材26が捩れることなく伸縮のみで対応することが可能である。そのため、引っ張りばねや圧縮ばねのようなごく普通のばね要素部材を用いることができる。また、回転対偶中心軸O3A,O3B(O4A,O4B)と平行なばね連結軸27にばね要素部材26の両端を連結すれば、ばね連結軸27とばね要素部材26の連結部に偏荷重がかかることがなく、ばね保持強度が増す。
When viewed only from the operation surface, the
アクチュエータ23A,23Bにより入力側の端部リンク5を回転させると、連動手段9により、入力側の端部リンク5と出力側の端部リンク6が、中央リンク7に対する回転方向が互いに逆で、かつ回転変位角度が同じとなるように連動する。それにより、入力側のリンクハブ2に対する出力側のリンクハブ4の動きが、入力側のリンクハブ2に対する出力側のリンクハブ3の姿勢が一義的に決まる。つまり、このリンク作動装置1は、入力側のリンクハブに対する出力側のリンクハブの姿勢が一義的に決まる、回転の自由度が2自由度の機構である。
When the input-
詳しく説明する。この構造において、リンクハブ2,3とそれに連結される端部リンク5,6の入力側と出力側それぞれは、球面リンク機構を構成しており、それぞれの球面リンク機構は、入力側と出力側の端部リンク5,6が中央リンク7を介して連結されている。ここで各リンク機構4A,4Bの二つの中央リンク7は、それぞれの球面リンク機構が重なる円の円周上の並進運動に限定された1自由度となる。入力側および出力側の球面リンク機構は、節の曲率半径を無限大とすれば平面上の四節リンク機構であり、入力側、出力側のそれぞれが独立して1自由度を有している。入力側と出力側の端部リンク5,6間に連動手段9が無い場合は、二つの中央リンク7の1自由度と入力側と出力側の球面リンク機構の各1自由度とで3自由度となる。ここで、このリンク作動装置1では、入力側と出力側の端部リンク5,6間に連動手段9を設けたため、それぞれの球面リンク機構は連動し、両球面リンク機構で1自由度となる。以上のように、このリンク作動装置1は、中央リンク7の1自由度と前記球面リンク機構の1自由度を合わせた2自由度の機構となる。なお、中央リンク7の位置変位は、入力側と出力側のリンクハブ2,3間においては角度変化となり、以上から入力側と出力側のリンクハブ2,3間は、2方向の角度変化が可能な構造となる。
explain in detail. In this structure, each of the input side and the output side of the
この実施形態のように、二組のリンク機構4A,4Bにおいて、端部リンク5,6の角度、長さ、および端部リンク5,6の幾何学的形状が入力側と出力側で等しく、また、中央リンク7についても入力側と出力側で形状が等しいとき、中央リンク7の対称面に対して中央リンク7と、入力側および出力側のリンクハブ2,3と連結される端部リンク5,6との角度位置関係を入力側と出力側で同じにすれば、幾何学的対称性から入力側のリンクハブ2および入力側の端部リンク5と、出力側のリンクハブ3および出力側の端部リンク6とは同じに動く。
As in this embodiment, in the two sets of
この2自由度のリンク作動装置1は、入力側のリンクハブ2に対する出力側のリンクハブ3の可動範囲を広くとれる。例えば、入力側のリンクハブ中心軸C1と出力側のリンクハブ中心軸C2の折れ角の最大値(最大折れ角)を90°以上とすることができる。また、入力側のリンクハブ2に対する出力側のリンクハブ3の旋回角を0°〜360°の範囲で設定できる。折れ角は、入力側のリンクハブ中心軸C1に対する出力側のリンクハブ中心軸C2の傾斜角度のことであり、旋回角は、入力側のリンクハブ中心軸C1に対して出力側のリンクハブ中心軸C2が傾斜した水平角度のことである。
This two-degree-of-
また、リンクハブ2(3)と端部リンク5(6)の回転対偶中心軸O1A,O1B(O2A,O2B)を対向するリンクハブ3(2)の側に傾けたことにより、従来のように、同回転対偶中心軸O1A,O1B(O2A,O2B)がリンクハブ中心軸C1(C2)と垂直である場合と比べて、球面リンク中心P1(P2)と姿勢変更中心O間の距離が短い。また、入力側と出力側の球面リンク中心P1,P2間の距離も短い。これにより、入力側のリンクハブ2に対する出力側のリンクハブ3の姿勢を変更するときに、各リンク機構4の内側に挿通される挿通物(図示せず)とリンクハブ2,3との連結部の変位を小さくできる。
In addition, the rotation pair center axes O1A and O1B (O2A and O2B) of the link hub 2 (3) and the end link 5 (6) are inclined toward the opposite link hub 3 (2), as in the conventional case. The distance between the spherical link center P1 (P2) and the posture change center O is short as compared with the case where the rotation pair even axes O1A, O1B (O2A, O2B) are perpendicular to the link hub center axis C1 (C2). The distance between the spherical link centers P1 and P2 on the input side and the output side is also short. As a result, when the posture of the output
各アクチュエータ23A,23Bは、手動で制御してもよく、制御装置24(図1)により制御してもよい。制御装置24により制御する場合は、入力側のリンクハブ2に対する出力側のリンクハブ3の姿勢を、自動で任意の2方向角度位置に任意の時間で変更することができる。
Each
リンク作動装置1を使用するに際して、リンク作動装置1自体の重さおよびこのリンク作動装置1が装着される挿通物の重さにより、入力側のリンクハブ2と出力側のリンクハブ3間に角度変位が生じることがあるが、ばね要素部材26の弾性反発力により、前記角度変位を減少させるように復元させることができる。また、アクチュエータ23A,23Bにより、入力側のリンクハブ2に対して出力側のリンクハブ3を姿勢変更するとき、前記角度変位によって生じる負荷をばね要素部材26が補償することで、アクチュエータ23A,23Bの出力荷重を抑えることができる。
When the
このリンク作動装置1は、各リンク機構4A,4Bにおける四つの回転対偶、つまり、入力側のリンクハブ2と入力側の端部リンク5の回転対偶、出力側のリンクハブ3と出力側の端部リンク6の回転対偶、および入力側および出力側の端部リンク5,6と中央リンク7との二つの回転対偶を軸受構造とすることにより、各回転対偶での摩擦抵抗を抑えて回転抵抗の軽減を図ることができ、滑らかな回転角変位を確保できると共に耐久性を向上できる。
The
リンク機構4A,4Bの数が二組であって、従来の三組と比べて少ないため、各リンク機構4A,4B同士の干渉を回避し易く、設計の自由度が高い。それにより、リンク作動装置1全体の外径が小さいコンパクトな構成とすることが可能である。また、リンク機構4A,4Bの数が少ないため、低コスト化を実現できる。さらに、二組のリンク機構4A,4Bの形状が同じであるため、部品の種類を減らすことができ、このことからも低コスト化を実現できる。
Since the number of
また、リンク機構4A,4Bが二組であると、各リンク機構4A,4Bの内側に挿通される挿通物をリンクハブ2,3の中空部20に入れるための開口部21を広く確保することができ、中空部20への挿通物の出し入れが容易になる。よって、リンク作動装置1を挿通物に対して相対的に小型化することが可能である。また、リンク機構4A,4Bの各リンク部材5,6,7同士の干渉が減り、リンク作動装置1の作動角度を大きくとれる。このため、使い勝手が良くなる。
Moreover, when the
各リンク機構4A,4Bの中央リンク7は、二組のリンク機構4A,4Bのリンクハブ2,3と端部リンク5,6の各回転対偶中心軸O1A,O1B,O2A,O2Bが成す角度が180°よりも大きい側に位置している。そのため、構造的に、一方のリンク機構4A(4B)のリンクハブ2と端部リンク5,6の回転対偶部が、他方のリンク機構4B(4A)の端部リンク5,6と中央リンク7の回転対偶部に干渉しにくい。このことから、前記干渉を避けるために、端部リンク5,6と中央リンク7の回転対偶部を外径方向に張り出して設ける必要がなくなり、外径寸法が小さいコンパクトな構成にできる。
The
図7は、このリンク作動装置1をリハビリ、運動補助等の目的で、人の膝関節回りに装着した状態を示す。入力側および出力側のリンクハブ2,3間に膝関節40が位置し、かつリンクハブ2,3の各中空部20に膝関節40に続く部位、すなわち上腿部41および下腿部42が挿通される。この場合、人の脚43が、リンク機構4A,4Bの内側に挿通された挿通物となる。上腿部41および下腿部42は、開口部21を通して中空部20に出し入れされる。リンク作動装置1の装着時に中空部20から脚43が抜けないように、開口部21を塞ぐベルト等(図示せず)を設けておくとよい。
FIG. 7 shows a state in which the
リンク作動装置1を装着した状態において、アクチュエータ23A,23Bの駆動により、二組のリンク機構4A,4Bの各回転対偶の回転角をそれぞれ調整することで、膝関節40の曲げ角度および捻り角度を調整できる。また、リンク機構4A,4Bの各回転対偶の回転角を固定すれば、上記曲げ角度および捻り角度を固定することが可能となる。このように、膝関節40の角度を調整や固定することにより、患者の肉体的特徴や患部の状況に応じて異なる角度差に対して容易に対応できる。入力側および出力側のリンクハブ2,3が、患部である膝関節40の両側で荷重を受けるため、膝関節40にかかる負荷を軽減できる。さらに、アクチュエータ23A,23Bの駆動により、二組のリンク機構4A,4Bの各回転対偶の回転角を強制的に変更させることで、歩行等の動作補助を行ったり、膝関節を他動運動させてリハビリを行ったりすることができる。
In a state where the
先に説明したように、このリンク作動装置1は、入力側のリンクハブ2に対する出力側のリンクハブ3の姿勢変更時における挿通物とリンクハブ2,3との連結部の変位が小さいため、挿通物である脚43とリンクハブ2,3との間に前記変位を吸収する変位吸収部材を設けなくて済むか、または寸法の小さい変位吸収部材で済む。このため、リンク作動装置1をコンパクトで軽量にできる。リンク作動装置1は、膝以外の四肢関節部回りに装着して使用することもできる。
As described above, the
また、このリンク作動装置1は、可撓性のチューブ等(図示せず)をリンク機構4A,4Bの内側に挿通し、このチューブ等の曲げ角度を調整するのにも用いることができる。この場合、チューブ等が挿通物となる。このリンク作動装置1であっても、入力側のリンクハブ2に対する出力側のリンクハブ3の姿勢変更時に挿通物とリンクハブ2,3との連結部が多少変位するため、チューブ等を蛇腹状等の伸縮可能な構造とする必要がある。しかし、前記変位の量は小さいので、蛇腹状部分の寸法が短くて済み、加工が簡単である。
The
図8および図9は、この発明の異なる実施形態を示す。このリンク作動装置51は、前記リンク作動装置1におけるアクチュエータ23A,23Bの代わりに、各リンク機構4A,4Bに、入力側の端部リンク5と出力側の端部リンク6の相対的な回転角変位を変更可能とする直動アクチュエータ53A,53Bを設けたものである。直動アクチュエータ53A,53Bの本体部53aとロッド部53bは、端部リンク5,6に軸受54を介して1自由度の回転中心軸55a,56a回りに回転自在に支持された取付部材55,56にそれぞれ取り付けられている。前記回転中心軸55a,56aは、端部リンク5(6)と中央リンク7の回転対偶中心軸O3A,O3B(O4A,O4B)と平行である。
8 and 9 show different embodiments of the present invention. In this link actuating device 51, instead of the
この場合、入力側の端部リンク5、中央リンク7、出力側の端部リンク6、および直動アクチュエータ53A(53B)により閉じたリンク構造となり、リンク機構4A(4B)の剛性が高まる。また、直動アクチュエータ53A(53B)を、入力側の端部リンク5および出力側の端部リンク6に回転1自由度で連結したことで、さらに高剛性となり、製作および組立も容易となる。
In this case, the link structure is closed by the input
図10は、リンクハブと端部リンクの連結部の異なる構成を示す。この連結部には、リンクハブ2(3)と端部リンク5(6)の回転対偶の相対的な回転角変位を限定するリミッター60が設けられている。リミッター60は、リンクハブ2(3)に設けられたストッパ61と、端部リンク5(6)に設けた一対のストッパ受け62A,62Bとで構成される。
FIG. 10 shows a different configuration of the connecting portion between the link hub and the end link. This connecting portion is provided with a
ストッパ61は、リンクハブ2(3)の端面から端部リンク5(6)側に突出した柱状の部材であって、端部リンク5(6)に形成された円弧状の長穴63に通されている。長穴63は、リンクハブ2(3)と端部リンク5(6)の回転対偶中心軸O1A,O1B(O2A,O2B)を中心とする円弧状である。
The
ストッパ受け62A,62Bは、前記ストッパ61を挟んで周方向の両側にそれぞれ配置され、端部リンク5(6)に対して周方向位置を変更可能に取付けられている。詳しくは、端部リンク5(6)に前記長穴63に沿う複数のねじ孔64が設けられており、ストッパ受け62A,62Bのボルト挿通孔65に挿通したボルト66を前記複数のねじ孔64のいずれかに選択的にねじ込むことで、ストッパ受け62A,62Bが端部リンク5(6)に対して周方向位置を変更可能に取付けられる。ストッパ受け62A,62Bの回り止めのために、1つのストッパ受け62A,62Bに付き、2本のボルト66で端部リンク5(6)に取付けられる。図示例では、前記ボルト挿通孔65が2本のボルト66で共用の長穴とされているが、ボルト66ごとにボルト挿通孔65を設けても良い。
The
ストッパ受け62A,62Bには、ストッパ61側を向く面に、ダンパ67が設けられている。このダンパ67は、ゴム等のばね要素部材からなり、リンクハブ2(3)と端部リンク5(6)の回転対偶の相対的な回転角変位を弾性的に限定する作用をする。ダンパ67は、請求項で言うところの「弾性部材」であり、かつ「減衰材」である。
The
図のようにストッパ61の両側にストッパ受け62A,62Bの各ダンパ67が接触した状態にあるとき、リンクハブ2(3)と端部リンク5(6)のなす角度をc°、ストッパ61とストッパ受け62Aのなす角度をa°、ストッパ61とストッパ受け62Bのなす角度をb°とした場合、リンクハブ2(3)に対する端部リンク5(6)の可変角範囲は、(c−a)°〜(c+b)°となる。
As shown in the figure, when the
リミッター60により、リンクハブ2(3)と端部リンク5(6)の回転対偶の相対的な回転角変位を限定することで、入力側のリンクハブ2に対する出力側のリンクハブ3の可動範囲が限定される。それに伴い、このリンク作動装置1が装着されている挿通物、例えば四肢関節部の可動範囲も限定される。リミッター60の設定を変えることで、患部である四肢関節部の状況に応じた可動範囲の調整が容易に行える。また、四肢に衝撃力が加えられたとき、リンクハブ2(3)と接触する四肢に急激に荷重が加わることになるが、ダンパ67により急な荷重変化が緩和され、四肢への負担を軽減することができる。
By limiting the relative rotational angular displacement of the rotational pair of the link hub 2 (3) and the end link 5 (6) by the
1…リンク作動装置
2…入力側のリンクハブ(リンク機構構成部材)
3…出力側のリンクハブ(リンク機構構成部材)
4…リンク機構
5…入力側の端部リンク(リンク機構構成部材)
6…出力側の端部リンク(リンク機構構成部材)
7…中央リンク(リンク機構構成部材)
9…連動手段
10,11…平歯車
20…中空部
23A,23B,53A,53B…アクチュエータ
24…制御装置
26…ばね要素部材
54…軸受
55a,56a…回転中心軸
60…リミッター
67…ダンパ(弾性部材、減衰材)
C1…入力側のリンクハブ中心軸
C2…出力側のリンクハブ中心軸
F1…入力側のリンクハブ面
F2…出力側のリンクハブ面
O…姿勢変更中心
O1A,O1B…入力側のリンクハブと入力側の端部リンクの回転対偶中心軸
O2A,O2B…出力側のリンクハブと出力側の端部リンクの回転対偶中心軸
O3A,O3B…入力側の端部リンクと中央リンクの回転対偶中心軸
O4A,O4B…出力側の端部リンクと中央リンクの回転対偶中心軸
P1…入力側の球面リンク中心
P2…出力側の球面リンク中心
DESCRIPTION OF
3 ... Output side link hub (link mechanism component)
4 ...
6 ... Output side end link (link mechanism component)
7. Central link (link mechanism component)
DESCRIPTION OF
C1 ... Input side link hub central axis C2 ... Output side link hub central axis F1 ... Input side link hub surface F2 ... Output side link hub surface O ... Posture change centers O1A, O1B ... Input side link hub and input Rotating pair center axis O2A, O2B of the side end link O2A, O3B of the output side link hub and the rotating pair even axis of the output side link O3A, Rotating pair center axis O4A of the end link of the input side and the central link , O4B: Rotating pair center axis P1 of output side end link and central link P1: spherical link center P2 of input side: spherical link center of output side
Claims (14)
各リンク機構の前記リンクハブと前記端部リンクの回転対偶中心軸は互いに交差する位置関係であって、この交差点を球面リンク中心と称し、
入力側と出力側のリンクハブが互いに平行である状態で、一方のリンクハブの前記球面リンク中心を通り他方のリンクハブの前記球面リンク中心に向かって延びる軸線をリンクハブ中心軸と称し、
入力側と出力側のリンクハブが互いに平行でない状態で、入力側および出力側の各前記リンクハブ中心軸が互いに交差する点を姿勢変更中心と称し、
前記リンクハブにおける前記リンクハブ中心軸方向の位置が最も前記姿勢変更中心に近い箇所を含み、前記リンクハブ中心軸に対して垂直な平面をリンクハブ面と称した場合に、
前記リンクハブと前記端部リンクの回転対偶中心軸は、対向するリンクハブの側に傾いており、前記球面リンク中心は、前記姿勢変更中心と前記リンクハブ面との間に位置することを特徴とするリンク作動装置。 End links are rotatably connected to the link hubs respectively arranged on the input / output sides, and the input side and output side end links are rotatably connected to the central link, so that the input side In a link actuating device having a plurality of sets of three-joint link mechanisms composed of four rotary pairs, which are constituted by an end link, a center link, and an output end link.
The rotational pair of the link hub and the end link of each link mechanism is in a positional relationship where they intersect with each other, and this intersection is called the spherical link center,
An axis extending through the spherical link center of one link hub toward the spherical link center of the other link hub in a state where the input side and output side link hubs are parallel to each other is referred to as a link hub central axis,
The point where the link hub central axes on the input side and the output side intersect with each other in a state where the input side and output side link hubs are not parallel to each other is referred to as a posture change center,
When the position of the link hub in the link hub central axis direction includes the place closest to the posture change center, and a plane perpendicular to the link hub central axis is referred to as a link hub surface,
The rotation pair central axis of the link hub and the end link is inclined toward the opposite link hub, and the spherical link center is located between the posture change center and the link hub surface. Link actuating device.
Priority Applications (2)
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Applications Claiming Priority (1)
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Publications (1)
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Country | Link |
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Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN109476025A (en) * | 2016-06-02 | 2019-03-15 | 先进技术有限公司 | Connecting rod for articulated manipulator |
CN111670095A (en) * | 2017-11-23 | 2020-09-15 | 株式会社利知院 | Parallel type integrated driving device |
CN111673781A (en) * | 2020-06-10 | 2020-09-18 | 哈尔滨工业大学 | Variable-rigidity humanoid robot paw |
-
2012
- 2012-05-22 JP JP2012116141A patent/JP2013242007A/en active Pending
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